Στις 16 Οκτωβρίου 2017, δύο χρόνια μετά την ιστορική πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων και λίγες μόνο μέρες μετά την απονομή του φετινού Νόμπελ Φυσικής στους πρωτεργάτες της ανακάλυψής τους, ανακοινώθηκε η πρώτη στα χρονικά ταυτόχρονη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων και ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που προέρχονται από την σύγκρουση και συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων .

Το βίαιο αυτό κοσμικό φαινόμενο παρατηρήθηκε στις 17 Αυγούστου, όταν οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων LIGO και VIRGO κατέγραψαν την διέλευση βαρυτικών κυμάτων από τους βραχίονες των συμβολομέτρων τους και προσδιόρισαν την προέλευσή τους στον γαλαξία NGC 4993, περίπου 130 εκατ. έτη φωτός μακριά, προς την κατεύθυνση του αστερισμού της Ύδρας. Η ιστορική αυτή ανακάλυψη, που ανακοινώθηκε με παράλληλες συνεντεύξεις και στις δύο πλευρές του Ατλαντικού, δίνει το έναυσμα για μία νέα εποχή στην Αστρονομία.

Οι αστέρες νετρονίων, όπως εξάλλου και οι μαύρες τρύπες, είναι τα λείψανα των γιγάντιων άστρων που εξάντλησαν τα πυρηνικά τους καύσιμα και διαμελίστηκαν σε κατακλυσμιαίες εκρήξεις σουπερνόβα.

Όταν ένα άστρο εκρήγνυται ως σουπερνόβα, εκτινάσσει τις εξωτερικές του στοιβάδες στο Διάστημα, την ίδια στιγμή που ο πυρήνας του αδυνατεί να αντισταθεί στο ίδιο του το βάρος και καταρρέει ορμητικά προς το εσωτερικό του.

Εάν ο αστρικός πυρήνας που υφίσταται την καταστροφική ενδόρρηξη έχει μάζα μικρότερη από τις 3 περίπου ηλιακές μάζες, τότε συμπιέζεται σ’ έναν αστέρα νετρονίων, δηλαδή σ’ ένα συμπαγές και υπέρπυκνο αντικείμενο, με τυπική μάζα περίπου διπλάσια απ’ αυτήν του Ήλιου, συμπιεσμένη όμως σε μία σφαίρα με διάμετρο που δεν υπερβαίνει τα 10–20 km! Εάν, αντιθέτως, η μάζα του υπερβαίνει αυτό το όριο, τίποτα πλέον δεν μπορεί να αντισταθεί στην περαιτέρω βαρυτική του κατάρρευση σε ένα σημείο μηδενικού όγκου και άπειρης πυκνότητας, δηλαδή σε μία μαύρη τρύπα.
 
Τα βαρυτικά κύματα είναι μικροσκοπικές χωροχρονικές ρυτιδώσεις, οι οποίες προκαλούνται κάθε φορά που αντικείμενα του Σύμπαντος με μεγάλες μάζες επιταχύνονται. Όπως περίπου τα επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία παράγουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, κάθε επιταχυνόμενο υλικό σώμα παράγει βαρυτικά κύματα.

Ενώ όμως η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διασχίζει τον χωροχρόνο με την ταχύτητα του φωτός, τα βαρυτικά κύματα αποτελούν διακυμάνσεις του ίδιου του χωροχρόνου, που κι αυτές εικάζεται ότι διαχέονται με την ταχύτητα του φωτός.

Δεδομένου ότι η βαρύτητα είναι η ασθενέστερη από τις τέσσερεις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις της φύσης, τα βαρυτικά κύματα είναι τόσο ασθενή, ώστε η ανίχνευσή τους είναι εξαιρετικά δύσκολη. Γι’ αυτό και μόνο τα βιαιότερα φαινόμενα του Σύμπαντος μπορούν να δημιουργήσουν βαρυτικά κύματα, ικανά να προκαλέσουν μετρήσιμες μεταβολές στην ύλη που μας περιβάλλει (περισσότερα για τα βαρυτικά κύματα και για την πρώτη στα χρονικά ανίχνευσή τους στο άρθρο Φεβρουαρίου 2016, Ο Αϊνστάιν επιβεβαιώνεται ξανά: τα βαρυτικά κύματα υπάρχουν!).

Είναι μόλις η πέμπτη φορά που ανιχνεύονται αυτές οι φευγαλέες χωροχρονικές διακυμάνσεις, τις οποίες είχε προβλέψει ο Αϊνστάιν έναν αιώνα νωρίτερα. Ενώ, όμως, στις προηγούμενες περιπτώσεις η έκλυσή τους οφειλόταν στην συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών, αυτή την φορά προέρχονταν από την σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων. Η πρώτη ένδειξη που οδήγησε τους αστρονόμους σ’ αυτό το συμπέρασμα προήλθε από την μεγάλη χρονική διάρκεια (περίπου 2 λεπτά) του σήματος της διέλευσης των βαρυτικών κυμάτων, αφού κατά την συγχώνευση των μαύρων τρυπών, η διάρκειά του δεν υπερβαίνει το 1 s.

Πραγματικά, η ανάλυση των δεδομένων έδειξε ότι οι μάζες των συμπαγών αντικειμένων που συγκρούστηκαν ήταν περίπου 1,1–1,6 φορές μεγαλύτερες απ’ αυτήν του Ήλιου. Η φύση, ωστόσο, του συμπαγούς αντικειμένου που σχηματίστηκε αμέσως μετά την συγχώνευσή τους, εάν δηλαδή αυτό είναι ένας μεγαλύτερος αστέρας νετρονίων ή μία μαύρη τρύπα, παραμένει ασαφής, καθώς η εκτιμώμενη μάζα του βρίσκεται στο όριο μεταξύ της μέγιστης μάζας που μπορεί να έχει ένας αστέρας νετρονίων και της ελάχιστης μάζας που μπορεί να έχει μία αστρική μαύρη τρύπα. Σύμφωνα, πάντως, με τις θεωρητικές αναλύσεις, τα παράγωγα μίας τέτοιας συγχώνευσης μπορεί να είναι είτε ένας μεγαλύτερος αστέρας νετρονίων, είτε ένας υπερμεγέθης, αλλά ασταθής, αστέρας νετρονίων, ο οποίος το πολύ σε λίγα λεπτά θα καταρρεύσει σε μία μαύρη τρύπα, είτε ο απευθείας σχηματισμός μίας μαύρης τρύπας, με πιθανότερο για την συγκεκριμένη περίπτωση το δεύτερο.
 
Ενώ, όμως, κατά τις προηγούμενες ανιχνεύσεις βαρυτικών κυμάτων, ο «απόηχος» της συγχώνευσης παρέμενε αόρατος για τα συμβατικά μας τηλεσκόπια, αυτή την φορά η σύγκρουση των δύο αστέρων νετρονίων συνοδεύτηκε και από μία έκλαμψη ακτίνων γ (Gamma Ray Burst, GRB) μικρής διάρκειας, την οποία κατέγραψαν τα διαστημικά τηλεσκόπια Fermi και INTEGRAL.

Η έκλαμψη αυτή είχε διάρκεια περίπου 2 s και ανιχνεύτηκε με καθυστέρηση 1,7 s σε σχέση με την έλευση των βαρυτικών κυμάτων από τους βραχίονες των ανιχνευτών LIGO και VIRGO, επιβεβαιώνοντας έτσι ότι οι χωροχρονικές αυτές διακυμάνσεις διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός. Πραγματικά, η σχεδόν ταυτόχρονη άφιξη της GRB με την έλευση των βαρυτικών κυμάτων επαληθεύει με εξαιρετική ακρίβεια, που αγγίζει το 0.00000000000004%, ότι τα τελευταία διαχέονται στον χώρο με την ταχύτητα του φωτός, αποδεικνύοντας ότι για μία ακόμη φορά ο Αϊνστάιν είχε δίκιο!

Οι μυστηριώδεις αυτές εκλάμψεις, που συγκαταλέγονται ανάμεσα στα βιαιότερα φαινόμενα του Σύμπαντος, είχαν ανιχνευθεί πολλές φορές κατά το παρελθόν. Όμως, παρόλο που οι θεωρητικοί αστροφυσικοί εκτιμούσαν εδώ και κάποια χρόνια ότι οι GRB μικρής διάρκειας (μικρότερης των 2 sec) όντως εκλύονται κατά την συγχώνευση 2 αστέρων νετρονίων σε μία μαύρη τρύπα, ο ακριβής φυσικός μηχανισμός του φαινομένου παρέμενε αβέβαιος.

Με τα νέα αυτά δεδομένα, πάντως, οι θεωρητικές εκτιμήσεις για την γενεσιουργό αιτία των GRB μικρής διάρκειας επιβεβαιώνονται. Αντιθέτως, οι GRB μεγαλύτερης διάρκειας εικάζεται ότι προκαλούνται στην διάρκεια των επονομαζόμενων εκρήξεων υπερνόβα, οι οποίες προκαλούνται όταν ένα άστρο με μάζα τουλάχιστον 30 φορές μεγαλύτερη απ’ αυτήν του Ήλιου καταρρεύσει σε μία μαύρη τρύπα.
 
Σε αντίθεση, μάλιστα, με την συγχώνευση μαύρων τρυπών, την στιγμή που οι επιφάνειες των δύο αστέρων νετρονίων έρχονται σε επαφή, προκαλείται μία βίαιη έκρηξη, καθώς το 5% περίπου της συνολικής τους μάζας εκτινάσσεται στο Διάστημα, σχηματίζοντας ένα υπέρθερμο νέφος διαστελλόμενης ύλης, στο εσωτερικό του οποίου συντήκονται με ραγδαίους ρυθμούς τα βαρύτερα στοιχεία του περιοδικού πίνακα.

Παράλληλα, απελευθερώνεται η GRB, ακολουθούμενη από μία φωτεινή αναλαμπή που, καθώς αργοσβήνει, εκλύει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε όλο το εύρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Ποτέ ως τώρα δεν είχε παρατηρηθεί αυτή η αλληλουχία γεγονότων στο ίδιο συμβάν!

Η σύγκρουση των δύο αστέρων νετρονίων, δηλαδή, οδήγησε σε μία κιλονόβα, το φαινόμενο κατά το οποίο τα υπέρθερμα υλικά που περίσσεψαν από την συγχώνευση των δύο αστέρων νετρονίων εκτινάσσονται στο Διάστημα, εκλύοντας ακτινοβολία εξαιτίας της υψηλής τους θερμοκρασίας.

Σε μία πρωτοφανή κινητοποίηση της διεθνούς αστρονομικής κοινότητας, τα διαστημικά τηλεσκόπια Swift, Hubble, Chandra και Spitzer, αλλά και δεκάδες επίγεια αστεροσκοπεία απ’ όλον τον κόσμο, έστρεψαν τα μάτια τους προς αυτήν την περιοχή του ουρανού, προκειμένου να συλλέξουν περισσότερα δεδομένα σε ολόκληρο το εύρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, για την φωτεινή αναλαμπή που εξασθενούσε όλο και περισσότερο τις μέρες που ακολούθησαν.

Αυτό που «είδαν», δεν ήταν μόνο η εντυπωσιακή επιβεβαίωση όσων είχαν προβλεφθεί θεωρητικά, αλλά και η πρώτη φορά όπου το ίδιο φυσικό φαινόμενο παρατηρείται, τόσο με την βοήθεια βαρυτικών κυμάτων, όσο και ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Σύμφωνα, δηλαδή, με τις θεωρητικές μελέτες των τελευταίων ετών, οι οποίες επιβεβαιώνονται με τις τελευταίες αυτές παρατηρήσεις, η χρονική αλληλουχία των γεγονότων που εκδηλώθηκαν πριν, κατά την διάρκεια και μετά την σύγκρουση των δύο αστέρων νετρονίων είναι η ακόλουθη: Αρχικά, οι δύο αστέρες νετρονίων ακολουθούν σπειροειδή κίνηση γύρω από το κοινό κέντρο βάρους τους, απελευθερώνοντας βαρυτικά κύματα.

Την στιγμή, ακριβώς, της σύγκρουσης απελευθερώνεται η GRB και εκρήγνυται η κιλονόβα, ενώ οι δύο αστέρες νετρονίων συγχωνεύονται πιθανότατα σε μία μαύρη τρύπα.
 
Η φωτεινή αυτή αναλαμπή προκλήθηκε, όπως είπαμε, καθώς εκτινάχθηκαν στο Διάστημα μεγάλες ποσότητες υπέρθερμης και πλούσιας σε ελεύθερα νετρόνια ύλης, με συνολική μάζα τουλάχιστον 10.000 φορές μεγαλύτερη απ’ αυτήν του πλανήτη μας και με ταχύτητα που άγγιζε το ένα πέμπτο της ταχύτητας του φωτός. Στο εσωτερικό αυτού του διαστελλόμενου νέφους ύλης, ατομικοί πυρήνες «παγίδευαν» τα ελεύθερα νετρόνια, ταχύτερα απ’ όσο μπορούσαν οι ίδιοι να διασπαστούν ραδιενεργά, δημιουργώντας έτσι όλο και βαρύτερους, αλλά ασταθείς, ατομικούς πυρήνες.

Στην συνέχεια, οι πυρήνες αυτοί μετασχηματίστηκαν μέσω της ραδιενεργού τους διάσπασης στους σταθερούς πυρήνες των βαρύτερων στοιχείων του περιοδικού πίνακα, εκλύοντας τεράστια ποσά θερμότητας, στην οποία οφείλεται και η ηλεκτρομαγνητική αναλαμπή που ανιχνεύθηκε. Η παρατήρηση αυτής της κιλονόβα, δηλαδή, επιβεβαιώνει ότι ο φυσικός μηχανισμός που οδηγεί στην σύνθεση των βαρύτερων στοιχείων του περιοδικού πίνακα οφείλεται στην επονομαζόμενη ταχεία σύλληψη νετρονίων. 

Εδώ και αρκετές δεκαετίες, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι το περισσότερο από το υδρογόνο και το ήλιο που εμπεριέχει το Σύμπαν σχηματίστηκε στα πρώτα λεπτά της εξέλιξής του στην διάρκεια της αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης.

Αντιθέτως, τα περισσότερα από τα ελαφρύτερα στοιχεία του περιοδικού πίνακα (μέχρι τον σίδηρο) σχηματίστηκαν αρκετά αργότερα στο εσωτερικό των άστρων, μέσω πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης. Ωστόσο η προέλευση των ατομικών πυρήνων που είναι πολύ βαρύτεροι του σιδήρου, παρέμενε ασαφής.

Με τα νέα δεδομένα, ωστόσο, οι επιστήμονες μπορούν πλέον να ισχυριστούν με βεβαιότητα ότι σημαντικό ποσοστό του χρυσού και της πλατίνας που εμπεριέχει το Σύμπαν, καθώς και όλο σχεδόν το ουράνιο, δημιουργούνται κατά την συγχώνευση αστέρων νετρονίων, μέσω της φυσικής διεργασίας που μόλις περιγράψαμε.
 
Συνοψίζοντας, η σημασία της ιστορικής αυτής αστρονομικής ανακάλυψης δεν μπορεί να υποτιμηθεί.

Κατ’ αρχάς, η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από μόνη της είναι εξαιρετικά σημαντική, καθώς επιβεβαιώνει για μία ακόμη φορά μία από τις θεμελιώδεις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας.

Δεύτερον, επιβεβαιώνονται οι θεωρητικές εκτιμήσεις για την προέλευση των βαρύτερων στοιχείων του περιοδικού πίνακα μέσα από την σύγκρουση αστέρων νετρονίων και τρίτον επιβεβαιώνεται ότι η ταχύτητα διάδοσης των βαρυτικών κυμάτων ισούται με την ταχύτητα του φωτός.

Παράλληλα, η παρατήρηση του ίδιου φαινομένου με την βοήθεια και των βαρυτικών κυμάτων και της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας θα επιτρέψει στους αστρονόμους να υλοποιήσουν ακόμη αυστηρότερους ελέγχους της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, ενώ τους παρέχει και μία νέα και ανεξάρτητη μέθοδο υπολογισμού αποστάσεων στο Σύμπαν και κατά συνέπεια έναν νέο τρόπο υπολογισμού της ταχύτητας της διαστολής του.
 
Πολύ περισσότερο, όμως, το γεγονός ότι οι αστρονόμοι κατόρθωσαν να συλλέξουν δεδομένα από τον «απόηχο» της συγχώνευσης των δύο αστέρων νετρονίων με την βοήθεια «συμβατικών» τηλεσκοπίων που ανιχνεύουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, θεωρείται ότι θα αποδειχτεί καθοριστική για την εξέλιξη της αστρονομίας τις επόμενες δεκαετίες.

Πραγματικά, είναι η πρώτη φορά που η «κλασική» αστρονομία «συμπράττει» με την αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων για την μελέτη του ίδιου φαινομένου και αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό, καθώς ανοίγει τον δρόμο για μία νέου είδους αλληλοσυμπληρούμενη μελέτη των βίαιων κοσμικών φαινομένων του Σύμπαντος.

Επιπλέον, θα συμβάλει στις προσπάθειες των επιστημόνων να κατανοήσουν σε ακόμη μεγαλύτερο βάθος, όχι μόνο τη φύση της βαρύτητας, αλλά και τους θεμελιώδεις νόμους που διέπουν το Σύμπαν στο σύνολό του, ενώ θα τους βοηθήσει και στην προσπάθειά τους να επιλύσουν ορισμένα από τα μεγαλύτερα και άλυτα ακόμη μυστήρια της σύγχρονης φυσικής.

Μέχρι πρόσφατα, τα περισσότερα από τα δεδομένα που είχαμε συλλέξει για το Σύμπαν και τα αναρίθμητα ουράνια σώματα που εμπεριέχει, προέρχονταν από την ανίχνευση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπουν, η οποία δικαίως είχε χαρακτηριστεί ως ο «Αγγελιοφόρος του Σύμπαντος».

Εκτός της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, φυσικά, σημαντικοί «αγγελιοφόροι» των δεδομένων αυτών είναι τα νετρίνα και οι κοσμικές ακτίνες.

Με την πρώτη, ωστόσο, ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, που ανακοινώθηκε το 2016, αποκτήσαμε έναν νέο «αγγελιοφόρο» για την μελέτη των μαύρων τρυπών, των αστέρων νετρονίων και των άλλων βίαιων φαινομένων του Σύμπαντος, και παράλληλα ένα μοναδικό εργαλείο για την μελέτη του βρεφικού Σύμπαντος, που από τη φύση του είναι αδιαφανές στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Η ταυτόχρονη, όμως, ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων και ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από το ίδιο φυσικό φαινόμενο εδραιώνει μία νέα εποχή για την αστρονομική έρευνα, την εποχή της Αστρονομίας των πολλαπλών μηνυμάτων. Με άλλα λόγια, την συνδυασμένη παρατήρηση και διερεύνηση του ίδιου φυσικού φαινομένου με την βοήθεια διαφορετικών «αγγελιοφόρων», καθένας εκ των οποίων οφείλεται σε διαφορετικούς φυσικούς μηχανισμούς και κατά συνέπεια μεταφέρει διαφορετικές πληροφορίες για το ίδιο φυσικό φαινόμενο.

----------------------------------------------

1Φωτογραφία: Καλλιτεχνική αναπαράσταση της σύγκρουσης δύο αστέρων νετρονίων (Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.).

 

π